分布式水文模拟计算
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Zuo Qiting
9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.2.1 流域水文过程及其数学模拟
9.2.1.1 流域水循环过程
流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸 发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节 中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个 十分复杂的过程。
Zuo Qiting
SWAT模型在产流计算上可以采用经验方法 SCS模型或者Green - Ampt下渗概念模型。流域 离散可以采用多种方法，如，子流域、山坡或 网格。SWAT模型的参数大多具有物理概念，但 由于参数繁多，在实际应用时仍然面临很多的 问题。SWAT模型作为第二类分布式水文模型的 典型代表，其模型结构和运行控制方式为构造 流域分布式水文模型（特别是日过程模型）提 供了很好的借鉴。
深层地下水 灌 溉
Zuo Qiting
SWAT采用类似于HYMO（Hydrologic Modeling） 模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控 制径流和化学物质的演算。通过子流域命令，进行 分布式产流计算；通过汇流演算命令，模拟河网与 水库的汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和 点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输 入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令， 把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水 库）中，或直接用作农业灌溉。SWAT模型的命令代 码能够根据需要进行扩展。
Zuo Qiting
MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
网格降雨
截留
潜在蒸散发
网格降雨
实际截流容量
蒸散发
水面蒸发
根带土壤含水量
蒸腾/土壤蒸发
下渗
坡面和河道径流
不饱和层
水位
基流/河 道损失 浅层地下水面
排泄 流量
浅层地下水面
补给/ 排水
交换模块
基流/河道损失
饱和层
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9.1.1.2 几点讨论
流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。
①分布式水文模型的真实性问题。
②尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。
③模型的检验问题。 ④计算时间和数据存储的问题。
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9.1.2 分布式水文模型的发展
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL） 是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水 文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过20多年的发 展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在水文领域得到了十 分广泛的应用。 TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（如 地形指数 、土壤－地形指数等）来描述流域产流及源面积 的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有 结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易 于与GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研 究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领 域都具有很好的应用前景。
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流域水循环过程示意图
蒸腾 降水 冠层截留 蒸发
土壤调蓄 地下调蓄 蒸散发 降雨 冠层截留 地表调蓄 河 网 调 蓄
下渗 壤中流
坡面流
径流
河流 基流
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9.2.1.2 流域水循环的数学模拟
由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模 型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟 模型是人们最常用的一类水文模型。
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9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自然 变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结合， 能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域 水循环过程的影响。
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MIKE SHE的水循环及模拟示意图
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MIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留 /植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（OC）、不饱 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM）和蓄水层 与河道间的交换。
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TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水 量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤 饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元 流域TOPMODEL的计算流程为：①基于DEM计算地形 指数，并求出每类地形指数的面积分布；②根据 地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产 流量；③进行单元流域的汇流计算。
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9.3.3 SWAT模型
SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）模型是在 SWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Basins）模型（Williams et al.,1985; Ar百度文库old et al., 1990）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模 型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、 不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资 料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单 元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再 进行汇流演算，最后求得出口断面流量。
目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国 内还较为少见。在国外，USGS （美国地质调查局）在 MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等 国着手开发OMS (Objective Modeling System)，以JAVA 为开发语言，基于Internet实现网络数据共享。此外， USGS与BOR（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划 （WARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、 面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。 总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构， 构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展 的又一个重要方向。
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9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
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分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面 和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括 ：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 ②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。 ③将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通 过RS影像或者DEM提取的空间指标）建立起某种对应关 系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参 数计算方法。
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SWAT模型结构示意图
降 灌 溉 降 雨 水 降 雪 融 雪 盖 雪
下
渗
地 表 径 流 输 移 损 失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发 河 流
土 壤 水 土壤水分层（10层）
灌溉用水 输移损失 河段出流量
土壤水蒸发
灌
溉
植物蒸散发
池塘/水库出流 池塘/水库渗透
壤 中 流 浅层地下水 渗 漏 灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
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TOPMODEL模型具有参数较少，模拟精度高的 特点。TOPMODEL利用地形指数计算饱和缺水量， 将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这 一点对于构建基于DEM的分布式水文模型具有很好 的启迪作用。但同大多数模型类似，TOPMODEL模 型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产 流机制和饱和地下水稳定流的假设在一些流域并 不成立。
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ZHENGZHOU UNIVERSITY
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流域分布式水文模型的一般框架
Zuo Qiting
目前，基于DEM的分布式水文模型主要有两 种建模方式：
①应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空 关系，如SHE模型等。 ②在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的 概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT模型 等。
第九章 分布式水文模拟 技术
Zuo Qiting
第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1 9.2 9.3
分布式水文模型的发展
基于DEM的流域分布式水文模型
几个典型分布式水文模型的介绍
Zuo Qiting
9.1 分布式水文模型的发展
9.1.1 分布式水文模型的研究进展
9.1.1.1 研究进展
分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze 和Harlan发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应 模型的蓝图》的文章。 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 型、SWAT模型、THALES模型以及DTVGM模型等。 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此 获得了长足发展。
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9.3 几个典型分布式水文模型的介绍
9.3.1 MIKE SHE模型
MIKE SHE是对SHE模型的发展和完善，它能够模拟 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及 沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的 资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相 互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。
9.2 基于DEM的流域分布式水文模型 9.2.1 流域水文过程及其数学模拟
9.2.1.1 流域水循环过程
流域是陆地系统中最为重要的自然集水区域。流域 水循环主要包括降水、冠层截留、径流（坡面流、壤中 流和地下径流）、下渗、蒸发（包括土壤蒸发、水面蒸 发、植被蒸腾、潜水蒸发）等几个环节。在这几个环节 中，伴随着水量的转化和物质及能量的交换，同时还受 到气候变化、大气降水动力学过程及流域地形、地貌、 人类活动等多种因素的影响。因此，流域水循环是一个 十分复杂的过程。
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SWAT模型在产流计算上可以采用经验方法 SCS模型或者Green - Ampt下渗概念模型。流域 离散可以采用多种方法，如，子流域、山坡或 网格。SWAT模型的参数大多具有物理概念，但 由于参数繁多，在实际应用时仍然面临很多的 问题。SWAT模型作为第二类分布式水文模型的 典型代表，其模型结构和运行控制方式为构造 流域分布式水文模型（特别是日过程模型）提 供了很好的借鉴。
深层地下水 灌 溉
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SWAT采用类似于HYMO（Hydrologic Modeling） 模型（Williams and Hann,1973）的命令结构来控 制径流和化学物质的演算。通过子流域命令，进行 分布式产流计算；通过汇流演算命令，模拟河网与 水库的汇流过程；通过叠加命令，把实测的数据和 点源数据输入到模型中同模拟值进行比较；通过输 入命令，接受其他模型的输出值；通过转移命令， 把某河段（或水库）的水转移到其他的河段（或水 库）中，或直接用作农业灌溉。SWAT模型的命令代 码能够根据需要进行扩展。
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MIKE SHE WM模块的结构图
融雪
贡献于网格降雨
网格降雨
截留
潜在蒸散发
网格降雨
实际截流容量
蒸散发
水面蒸发
根带土壤含水量
蒸腾/土壤蒸发
下渗
坡面和河道径流
不饱和层
水位
基流/河 道损失 浅层地下水面
排泄 流量
浅层地下水面
补给/ 排水
交换模块
基流/河道损失
饱和层
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9.1.1.2 几点讨论
流域分布式水文模型还有待于进一步完善，多 数还存在（或很少考虑）以下几个问题。
①分布式水文模型的真实性问题。
②尺度转换问题（或者模型参数的有效性问题）。
③模型的检验问题。 ④计算时间和数据存储的问题。
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9.1.2 分布式水文模型的发展
9.3.2 TOPMODEL
TOPMODEL（TOPgraphy based hydrological MODEL） 是一个以地形为基础的、基于变源面积概念的半分布式水 文模型。由Beven和Kirkby于1979年提出，经过20多年的发 展，TOPMODEL与DTM（或DEM）相结合在水文领域得到了十 分广泛的应用。 TOPMODEL的显著特点是利用易于获取的地形信息（如 地形指数 、土壤－地形指数等）来描述流域产流及源面积 的变化与分布，简化流域降水径流过程的模拟。模型具有 结构简单、优选参数少、物理概念明确、模拟精度高、易 于与GIS相结合等特点，无论在径流、泥沙、水质的模拟研 究中，还是在气候、土地植被变化研究和水资源管理等领 域都具有很好的应用前景。
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流域水循环过程示意图
蒸腾 降水 冠层截留 蒸发
土壤调蓄 地下调蓄 蒸散发 降雨 冠层截留 地表调蓄 河 网 调 蓄
下渗 壤中流
坡面流
径流
河流 基流
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9.2.1.2 流域水循环的数学模拟
由于流域水循环过程极其复杂，在建立水文模型时 通常对复杂水文现象进行抽象和概化。目前，水文模型 的种类繁多，按模型的性质和建模技术可分为：实体模 型（如比例尺模型）、类比模型（如用电流欧姆定律类 比渗流达西定律的模型）和模拟模型。其中，数学模拟 模型是人们最常用的一类水文模型。
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9.2.2 基于DEM的流域分布式水文模拟
9.2.2.1 模型的特点与分类
基于DEM的分布式水文模型具有以下特点：①具有物 理基础，能够描述水循环的时空变化过程。②由于其分 布式特点，能够与GCM（大气环流模式）嵌套，研究自然 变化和气候变化对水循环的影响。③同RS和GIS相结合， 能够及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域 水循环过程的影响。
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MIKE SHE的水循环及模拟示意图
Zuo Qiting
MIKE SHE模型的核心是描述研究区域水分运动 的MIKE SHE WM模块。MIKE SHE WM模块的主结构包 括六个部分，分别描述了六个水文物理过程：截留 /植物蒸散发(ET)、坡面和河道径流（OC）、不饱 和层（UZ）、饱和层（SZ）、融雪（SM）和蓄水层 与河道间的交换。
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TOPMODEL通过土壤含水量（或土壤饱和缺水 量）来确定流域产流面积的大小和位置，而土壤 饱和缺水量由地形指数计算得到。对于一个单元 流域TOPMODEL的计算流程为：①基于DEM计算地形 指数，并求出每类地形指数的面积分布；②根据 地形指数逐类进行产流计算，得到单元流域的产 流量；③进行单元流域的汇流计算。
Zuo Qiting
9.3.3 SWAT模型
SWAT（Soil and Water Assessment Tool ）模型是在 SWRRB（Simulater for Water Resources in Rural Basins）模型（Williams et al.,1985; Ar百度文库old et al., 1990）基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模 型。它具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤类型、 不同土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资 料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。 SWAT属于第二类分布式水文模型，即在每一个网格单 元（或子流域）上应用传统的概念性模型来推求净雨，再 进行汇流演算，最后求得出口断面流量。
目前，基于模块的分布式水文模拟系统的研制在国 内还较为少见。在国外，USGS （美国地质调查局）在 MMS (Modular Modeling System)的基础上已联合欧洲等 国着手开发OMS (Objective Modeling System)，以JAVA 为开发语言，基于Internet实现网络数据共享。此外， USGS与BOR（复垦局）合作开展流域与河流系统管理计划 （WARSMP），目标是发展操作性强、以数据库为中心、 面向复杂的资源管理问题的决策支持系统。 总体上看，集成不同的水循环模型，基于模块化结构， 构建面向多目标的水文模拟系统是现代水文模拟技术发展 的又一个重要方向。
Zuo Qiting
9.2.2.2 模型的结构与参数
基于DEM的分布式水文模型在结构上一般分为三 部分： ① 分布式输入模块，用于处理流域空间分布信息，为 水文模块提供空间输入数据和确定模型参数的信息。 ② 单元水文模型，是坡面产汇流计算的核心部分。 ③ 河网汇流模型。有些基于网格的分布式水文模型忽 略了该部分。
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分布式水文模型的参数是一个反映流域下垫面 和气象因素空间变化的数集。它的确定方法包括 ：
①在单元上采用传统的概念性模型，不改变原有模型的 结构和参数，但每一个单元上水文模型的参数值随空间 变化。参数值的大小根据空间信息图进行分类计算。 ②重新设计单元水文模型的结构与参数。尽量选择或者 重新构造那些既反映空间变化，又具有物理意义，且便 于计算的指标作为模型的参数。 ③将原有模型的参数同易于获取的空间指标（主要是通 过RS影像或者DEM提取的空间指标）建立起某种对应关 系（一般是统计关系），从而得到分布式水文模型的参 数计算方法。
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SWAT模型结构示意图
降 灌 溉 降 雨 水 降 雪 融 雪 盖 雪
下
渗
地 表 径 流 输 移 损 失 池塘/水库调蓄 池塘/水库蒸发 河 流
土 壤 水 土壤水分层（10层）
灌溉用水 输移损失 河段出流量
土壤水蒸发
灌
溉
植物蒸散发
池塘/水库出流 池塘/水库渗透
壤 中 流 浅层地下水 渗 漏 灌 溉 潜水蒸发 渗 透 回归流
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TOPMODEL模型具有参数较少，模拟精度高的 特点。TOPMODEL利用地形指数计算饱和缺水量， 将产流计算与易于获得的地形信息建立联系，这 一点对于构建基于DEM的分布式水文模型具有很好 的启迪作用。但同大多数模型类似，TOPMODEL模 型并不适合所有的流域。这是因为模型的蓄满产 流机制和饱和地下水稳定流的假设在一些流域并 不成立。
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流域分布式水文模型的一般框架
Zuo Qiting
目前，基于DEM的分布式水文模型主要有两 种建模方式：
①应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空 关系，如SHE模型等。 ②在每一个网格单元（或子流域）上应用传统的 概念性（或系统理论）模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量，如SWAT模型 等。
第九章 分布式水文模拟 技术
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第九章 分布式水文模拟技术
主要内容
9.1 9.2 9.3
分布式水文模型的发展
基于DEM的流域分布式水文模型
几个典型分布式水文模型的介绍
Zuo Qiting
9.1 分布式水文模型的发展
9.1.1 分布式水文模型的研究进展
9.1.1.1 研究进展
分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze 和Harlan发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应 模型的蓝图》的文章。 后期比较具有代表性的水文模型包括SHE模型、IHDM模 型、SWAT模型、THALES模型以及DTVGM模型等。 进入20世纪90年代以后，随着计算机技术、GIS/RS技术、 信息技术和通讯技术的发展与普及，分布式水文模型也因此 获得了长足发展。
Zuo Qiting
9.3 几个典型分布式水文模型的介绍
9.3.1 MIKE SHE模型
MIKE SHE是对SHE模型的发展和完善，它能够模拟 水循环陆面过程中主要的水文过程包括水量、水质及 沉积物输移。它能用于解决与地表水和地下水相关的 资源和环境问题，以及地表水和地下水之间的动态相 互作用关系。 典型应用包括：流域规划、供水、灌溉和排水、污 染物堆放场的污染物、农业耕作的影响（包括农用化学 品和化肥的使用）、土壤和水资源管理、土地利用变化 的影响、气候变化的影响和生态评价（包括沼泽区域）。